宽带无线通信系统中的载波同步及天线校准研究

论文摘要

下一代无线通信系统中，为了实现大带宽、高传输速率、高频谱利用率等关键技术指标，多载波多天线是一种重要的体系结构。在这种体系结构中，为了克服大带宽情况下无线信道的频率选择性衰落，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种高频谱效率的形式，是非常有前途的一种多载波调制技术。在OFDM系统中，可以认为对每个子载波而言，信道是平坦衰落的。但是，OFDM技术应用于无线通信系统中，存在的致命问题是对载波同步非常敏感，并且峰均比较高。因而，载波同步技术是OFDM的核心技术之一。 在下一代无线通信系统中广泛使用多天线技术，如多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、智能天线及分布式天线等，是提高频谱利用率的非常有效的手段。特别是，作为ITU-R技术发展趋势中定义的智能天线技术和MIMO技术，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。因此，将MIMO技术与OFDM技术相结合，适应下一代系统发展趋势的要求。MIMO-OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间复用或分集，提高了信号质量，它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。但是，这种结合并非是两种技术简单的叠加堆积，它们的有机结合，引出了诸多新的技术问题。因为在MIMO情况下，存在多条并行的特性各异的无线信道，使得问题变得非常复杂。 在多天线系统中，为了保证系统性能的实现，工程上要求天线阵列及射频通道之间的幅度和相位与理论设计相比，具有较小的误差；而作为核心技术的智能天线，为了准确形成波束，对天线阵列和通道有更高的要求。但是，由于加工、器件老化、温度变化等原因，天线、馈线和由模拟器件组成的射频通道往往需要校正才能满足需求。 本文从OFDM的载频同步技术入手进行研究，针对MIMO-OFDM系统的特点，提出了子波段算法，简化载波同步的复杂度；在多天线系统的天线通道校准方面，本文以要求最为严格的智能天线为研究对象，对该技术展开了深入的研究，从而可以满足所有多天线系统的校正需求。通过在实验平台上的实际验证，证明了所提出算法是有效的、实用的。 本文的主要贡献如下： （1）对OFDM系统的载波同步进行了深入的研究，分析了载波频率偏移对OFDM系统性能的影响。在此基础上，提出了一种基于导频的频率偏移的估计算法，分别估计小数倍的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 移动通信的发展概述
• 1.3 中国在下一代无线通信技术方面的研究状况
• 1.4 部分关键技术介绍
• 1.4.1.OFDM技术
• 1.4.2.MIMO技术
• 1.4.3.MIMO-OFDM技术
• 1.4.4.MIMO、智能天线及天线选择技术
• 1.4.5.天线通道校正技术
• 1.5 关于本课题的研究工作
• 1.5.1.课题来源
• 1.5.2.研究工作和主要贡献
• 1.6 论文内容的安排
• 第2章 无线信道特性及模型分析
• 2.1 引言
• 2.2 多径信道的衰落特性
• 2.2.1.多径衰落的时延扩展
• 2.2.2.信号包络的分布
• 2.2.3.相关带宽和频率选择性衰落
• 2.2.4.Doppler频率偏移
• 2.2.5.相干时间和时间选择性衰落
• 2.3 MIMO-OFDM信道模型
• 2.3.1.相关模型
• 2.3.2.射线跟踪模型
• 2.3.3.散射模型
• 2.3.4.信道模型描述
• 2.3.5.信道仿真
• 2.4 IMT2000信道模型
• 2.4.1.对移动OFDM通信系统影响
• 2.4.2.对多天线通信系统的影响
• 2.4.2.1.多径信道
• 2.4.2.2.信道的相关性
• 2.5 总结
• 第3章 OFDM系统的载波同步技术
• 3.1.引言
• 3.2.基本原理
• 3.2.1.OFDM信号模型
• 3.2.2.系统传输模型
• 3.2.3.载波偏移对OFDM性能的影响
• 3.3.OFDM载波同步研究
• 3.3.1.基于专用导频的载波同步
• 3.3.1.1.细频偏估计算法
• 3.3.1.1.1.剩余频偏计算
• 3.3.1.1.2.自适应算法设计
• 3.3.1.2.粗频偏估计算法
• 3.3.1.3.计算机仿真
• 3.3.1.3.1.OFDM系统参数
• 3.3.1.3.2.细频偏估计仿真
• 3.3.1.3.3.粗频偏估计仿真
• 3.3.2.基于CBCH的载波同步
• 3.3.2.1.细载波同步
• 3.3.2.2.粗载波同步
• 3.4.总结
• 第4章 MIMO-OFDM载波同步技术
• 4.1.引言
• 4.2.MIMO-OFDM系统模型及导频设计
• 4.2.1.基于子波段的导频设计方法
• 4.2.2.仿真结果
• 4.3.MIMO-OFDM系统接收端加窗技术及参数估计
• 4.3.1.接收端加窗的MIMO-OFDM系统模型
• 4.3.2.信道估计算法的基本原理
• 4.3.3.算法实现
• 4.3.4.最佳预滤波器设计
• 4.4.总结
• 第5章 多天线技术及天线选择技术
• 5.1.引言
• 5.2.空间分集与空间复用技术
• 5.3.智能天线技术
• 5.3.1.智能天线的基本结构
• 5.3.1.1.自适应阵列
• 5.3.1.2.宽带自适应阵列
• 5.3.2.智能天线的基本原理
• 5.4.MIMO及分布式天线技术
• 5.5.天线选择技术
• 5.5.1.天线选择信号和信道模型
• 5.5.2.天线选择算法
• 5.6.下一代移动通信系统天线选择技术
• 5.7.总结
• 第6章 阵列天线校正技术
• 6.1.引言
• 6.2.阵列天线系统校正技术简介
• 6.2.1.离线校正
• 6.2.2.在线校正
• 6.3.TDD基站阵列天线校正方案
• 6.3.1.校正系统模型
• 6.3.2.通道校正方案选择
• 6.3.2.1.注入参考信号的校正技术
• 6.3.2.2.无线馈入校正方法
• 6.3.2.3.盲校正方法
• 6.3.2.4.几种校正方法的比较
• 6.3.3.校正算法原理
• 6.3.3.1.时间相关算法
• 6.3.3.2.信道估计算法
• 6.4.在线校正算法仿真
• 6.4.1.信道估计算法仿真
• 6.4.2.时间相关算法仿真
• 6.4.3.仿真结论
• 6.5.结论
• 第7章 总结与展望
• 7.1.全文总结
• 7.2.将进一步研究和完善的问题
• 参考文献
• 附录A 实验平台:天线校正实验系统的设计
• 攻读博士期间的论文、专利及参与的项目
• 致谢